林 俊，杜 蕾，齊仁立,3*

（1.重慶市農(nóng)業(yè)學(xué)校，重慶 401329；2.重慶市畜牧科學(xué)院，重慶 402460；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部養(yǎng)豬科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 402460）

我國是畜牧生產(chǎn)大國和畜禽產(chǎn)品消費(fèi)大國，近幾年我國畜禽肉類年消費(fèi)量超過8 800 萬t，人均消費(fèi)量50.3 kg，其中約66% 為豬肉，21% 為禽肉。創(chuàng)制和利用精準(zhǔn)營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)來提高畜禽產(chǎn)肉性能和改善肉品質(zhì)符合我國畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。色氨酸（Tryptophan）是一種中性氨基酸，帶有芳香族的側(cè)鏈，是人和動(dòng)物的必需氨基酸之一，主要通過食物攝入。色氨酸在調(diào)節(jié)宿主生長、行為、免疫機(jī)能、抗應(yīng)激等發(fā)面發(fā)揮重要作用。近年來，一些研究指出色氨酸及其代謝物還能夠直接影響和調(diào)控動(dòng)物肌肉生長、發(fā)育?；诖?，本文對色氨酸及其不同代謝物對肌肉生長和生理的差異影響、在畜牧生產(chǎn)中潛在的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述，以期為畜禽肉品質(zhì)改良相關(guān)的靶向營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)開發(fā)提供理論參考。

1 色氨酸的不同代謝途徑

食物中的大部分色氨酸在動(dòng)物小腸被吸收進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，少量未被吸收的色氨酸進(jìn)入后腸并被腸道微生物代謝利用。進(jìn)入機(jī)體的色氨酸只有約1%被用于合成蛋白質(zhì)，其他都被分解代謝。如圖1 所示，色氨酸在動(dòng)物體內(nèi)主要有3 條代謝途徑：①犬尿氨酸（Kynurenine，KYN）途徑；②5-羥色胺（5-Hydroxyt ryptamine，5-HT）途徑；③腸道細(xì)菌代謝途徑。KYN途徑是色氨酸主要代謝途徑，約占色氨酸總量95%。KYN 的產(chǎn)生主要在肝臟，少量在腦中樞。色氨酸在吲哚胺-2,3-雙加氧酶（Indoleamine2，3-Dioxygenase，IDO）或色氨酸-2,3-雙加氧酶（Tryptophan-2，3-Dioxyg enase，TDO）的作用下生成KYN，然后經(jīng)過多級(jí)酶促反應(yīng)生成喹啉酸、吡啶羧酸類及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NAD）和磷酸NAD（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADP）等。約有1%～2% 的色氨酸進(jìn)入5-HT 代謝途徑。色氨酸被腸嗜鉻細(xì)胞中的色氨酸羥化酶1（TPH1）轉(zhuǎn)化產(chǎn)生5-羥色氨酸（5-Hydroxytryptophan，5-HTP），或者被中樞神經(jīng)元中的TPH2 轉(zhuǎn)化為5-HTP。5-HTP 隨后脫羧形成5-HT（5-Hydroxytryptamine，也稱血清素）。約有2%～4%的色氨酸在雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌、消化鏈球菌等攜帶芳香族氨基酸轉(zhuǎn)氨酶（Aromatic Amino Acid Aminotransferase，ArAT）和色氨酸脫羧酶（Tryptophan Decarboxylase，TrD）的腸道細(xì)菌的作用下通過脫氨和脫羧作用代謝生成色胺、吲哚和多種吲哚衍生物，如吲哚乙酸（Indole-3-Acetic acid，IAA）、吲哚丙酸（Indole-Propionic Acid，IPA）、吲哚丙酮酸（Indole-3-Pyruvic Acid，IPyA）、吲哚乳酸（Indole-Lactic Acid，ILA）和糞臭素等。

圖1 色氨酸的主要分解途徑及代謝產(chǎn)物

色氨酸的3 種代謝途徑的相對比例是動(dòng)態(tài)變化的?？股靥幚頃?huì)顯著減少動(dòng)物血液和糞便中吲哚和吲哚衍生物含量，并增加犬尿氨酸（KYN）含量。補(bǔ)充益生菌或者提高細(xì)菌多樣性能夠增強(qiáng)細(xì)菌代謝途徑，減少KYN/色氨酸的比例。富含膳食纖維的食物也能夠顯著提高動(dòng)物體內(nèi)色氨酸細(xì)菌代謝物的含量。顯然，腸道菌群的組成和多樣性與色氨酸代謝類型和代謝強(qiáng)度密切相關(guān)。

2 色氨酸及其代謝物對肌肉生長發(fā)育的影響

關(guān)于色氨酸生理調(diào)控功能的研究主要集中在生長維持、免疫調(diào)節(jié)和抗炎癥等方面，色氨酸及其代謝物對于肌肉生長和生理功能的影響近年來才逐漸被研究和認(rèn)識(shí)。

2.1 色氨酸調(diào)控肌肉生長 基于人的臨床研究，補(bǔ)充色氨酸可以有效對抗衰老引起的肌肉減少和萎縮，表明色氨酸與肌肉生長有直接聯(lián)系。早期的動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加高水平（1.3～2.0 g/kg）的色氨酸能夠促進(jìn)豬的生長，提高飼料利用率；深入分析發(fā)現(xiàn)，肌細(xì)胞的核糖體活性與色氨酸水平緊密相關(guān)，說明色氨酸能夠促進(jìn)肌肉組織的蛋白合成。日糧中添加瘤胃保護(hù)性氨基酸可以顯著增加牛的肌肉塊重量，并提高骨骼肌對于脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和利用能力。長期缺乏色氨酸會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物肌纖維萎縮，肌肉塊減小。飼喂無色氨酸飼糧的試驗(yàn)小鼠，其脛骨前肌纖維直徑比飼喂標(biāo)準(zhǔn)飼糧的小鼠明顯更小?；诩∪饨M織的靶向代謝組分析表明，色氨酸的缺乏削弱了骨骼肌的糖酵解反應(yīng)，并上調(diào)肌肉中與三羧酸循環(huán)有關(guān)的氨基酸濃度，如脯氨酸、蘇氨酸、精氨酸等。此外，低水平色氨酸和高水平的犬尿氨酸（KYN）處理都會(huì)抑制體外培養(yǎng)的C2C12 肌細(xì)胞的增殖和分化，減少肌管的數(shù)量和長度。在另一項(xiàng)研究中，Sanfilippo 等在雌性大鼠妊娠期給予無色氨酸日糧發(fā)現(xiàn)，其子代出生后的發(fā)育狀況明顯落后于對照鼠，主要體現(xiàn)在體尺寸小、運(yùn)動(dòng)能力弱、下丘腦-垂體功能受損。通過組織形態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)鼠的肌肉纖維萎縮和肌肉退行性病變，這可能是由于血液中的生長激素濃度不足造成的?？梢钥闯?，色氨酸的缺乏明顯限制了動(dòng)物早期的肌肉快速生長和發(fā)育。在低蛋白日糧（8%蛋白含量）的基礎(chǔ)上額外補(bǔ)充色氨酸（1.5 mmol/L）也能夠增加小鼠的肌肉率（肌肉/體重），降低體脂率（脂肪/體重），提高小鼠血液中胰高血糖素生長因子（IGF1）、瘦素（Leptin）和卵泡抑制素（肌肉生長抑制素MSTN的拮抗物）含量；基于基因芯片的分析顯示小鼠肌肉中mTOR/eif4/p70s6k 信號(hào)通路的相關(guān)分子表達(dá)水平明顯上調(diào)，而該通路能夠刺激蛋白合成和肌肉生長。

顯然，適量補(bǔ)充色氨酸對于動(dòng)物的骨骼肌生長、發(fā)育和代謝具有積極的影響，具體作用途徑可能是多方面的：色氨酸通過IGF1/mTOR 通路直接靶向肌細(xì)胞生長調(diào)控分子，如和；通過調(diào)控糖代謝影響肌肉能量穩(wěn)態(tài)；通過改變肌肉氨基酸組成平衡影響蛋白合成與降解；影響中樞和外周激素的分泌并作用到肌肉組織。

2.2 犬尿氨酸和犬尿酸對肌肉的影響 作為色氨酸最主要的代謝物，犬尿氨酸（KYN）對肌肉的生長具有明顯的負(fù)面影響。人和動(dòng)物血液中的KYN 含量隨著衰老而顯著增多，KYN 能夠增加肌細(xì)胞中活性氧（ROS）含量，并導(dǎo)致肌肉萎縮。通過腹膜注射KYN 處理年輕小鼠同樣會(huì)導(dǎo)致肌纖維尺寸減小，骨骼肌萎縮并促進(jìn)肌肉中的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。反之，使用KYN 的關(guān)鍵代謝酶IDO 的特異性抑制劑1-mDT 處理老年小鼠，則能夠顯著減少KYN 的產(chǎn)生并恢復(fù)肌肉的生長。通過蛋白組分析發(fā)現(xiàn)，衰老引起的循環(huán)系統(tǒng)KYN 濃度升高導(dǎo)致了肌肉中線粒體脂質(zhì)過氧化酶線粒體脂質(zhì)過氧化酶（VLCADm）的表達(dá)水平顯著增加，這會(huì)產(chǎn)生大量HO，進(jìn)而引起肌肉的過氧化損傷；而1-mDT 則可以降低VLCADm 的表達(dá)水平。KYN 通過改變VLCADm影響肌肉萎縮的潛在機(jī)制見圖2。

圖2 KYN 導(dǎo)致肌肉萎縮的潛在機(jī)制[17]

此外，不同的體外及體內(nèi)試驗(yàn)都表明，色氨酸和KYN 在骨骼肌上的調(diào)控作用部分是經(jīng)由IGF1/Akt/mTOR 信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的，該通路對于維護(hù)骨骼肌的完整性（蛋白合成、干細(xì)胞定向分化、肌肉再生等）具有重要影響。

鍛煉和運(yùn)動(dòng)可以提高骨骼肌犬尿氨酸轉(zhuǎn)氨酶（Kynurenine Aminotransferase，KAT）表達(dá)，促進(jìn)肌肉組織中的KYN 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o神經(jīng)毒性的犬尿酸（Kynurenic Acid，KA），進(jìn)而減小KYN 對肌肉、大腦等組織的損傷。KA 對于動(dòng)物的能量穩(wěn)態(tài)平衡表現(xiàn)出重要的調(diào)節(jié)作用。近期的研究指出，KA 能夠通過G 蛋白偶聯(lián)受體35（G Protein-Coupled Receptor 35，Gpr35）調(diào)控能量穩(wěn)態(tài)、脂肪代謝和炎癥。伴隨著運(yùn)動(dòng)，骨骼肌產(chǎn)生的大量 KA 進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)并激活脂肪等組織的Gpr35，后者可以上調(diào)等產(chǎn)熱基因和等抗炎基因的表達(dá)，進(jìn)而刺激脂質(zhì)代謝、增加能量消耗、減少細(xì)胞炎癥反應(yīng)，這能夠有效幫助動(dòng)物對抗高脂日糧引起的肥胖，并提高糖耐受能力。通過體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，KA 還能夠通過Gpr35/AMPK 和SIRT6 途徑減輕棕櫚酸誘導(dǎo)的C2C12 肌細(xì)胞和3T3-L1 脂肪細(xì)胞的炎癥與胰島素抵抗。肌肉中KAT 的表達(dá)主要受到過氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子1（PGC-1）的控制，運(yùn)動(dòng)使肌肉中PGC-11-PPAR途徑持續(xù)激活，增加了骨骼肌KAT 的表達(dá)，可促進(jìn)KYN 向KA 的轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，氧化型肌纖維中KAT 的不同亞型表達(dá)水平均顯著高于酵解型肌纖維，表明肌肉中KYN 向KA 的轉(zhuǎn)化和代謝具有纖維類型的特異性。顯然，合理的運(yùn)動(dòng)或者通過其他生理生化途徑提高動(dòng)物體內(nèi)KAT 的表達(dá)，可促進(jìn)KYN 向KA 的轉(zhuǎn)化，能夠逆轉(zhuǎn)KYN 對肌肉的負(fù)面影響。

2.3 5-羥色胺和褪黑素對肌肉的影響 色氨酸的另外一類重要代謝物，5-羥色胺（5-HT）能夠刺激多種平滑肌細(xì)胞增殖，但有關(guān)5-HT 對于骨骼肌的影響機(jī)制還不完全清楚。5-HT2A 是5-HT 在骨骼肌細(xì)胞中的主要受體，隨著肌前體細(xì)胞向成熟肌管的分化，5-HT2A 蛋白豐度增加約3 倍。激活5-HT2A 可能有助于生肌基因的表達(dá)，但是具體的機(jī)制還不清楚。在體外培養(yǎng)的L6肌細(xì)胞和大鼠骨骼肌原代細(xì)胞上，使用5-HT 處理都能夠使細(xì)胞的葡萄糖吸收轉(zhuǎn)運(yùn)增加約50%。使用選擇性激動(dòng)劑m-HT 激活5-HT2A 同樣能夠增強(qiáng)肌肉對葡萄糖的吸收，并提高葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Glut2 和Glut4 在肌細(xì)胞膜中的表達(dá)量。還有研究指出，5-HT 能夠通過磷脂酶C（PLC）提高動(dòng)物骨骼肌中6-磷酸果糖-1-激酶（PFK）活性，促進(jìn)肌肉組織的糖酵解反應(yīng)，提高肌肉對葡萄糖的利用效率。這些結(jié)果表明5-HT 及其受體主要在肌肉組織的糖代謝中發(fā)揮重要調(diào)控作用。

此外，5-HT 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的褪黑素（Melatonin）能夠影響到肌肉生長和再生修復(fù)。使用褪黑素處理去勢雄性大鼠中可以減慢肌肉萎縮，發(fā)揮類似睪丸激素的作用。口服褪黑素可以緩解衰老引起的肌肉衰減和肌細(xì)胞自噬。褪黑素在不同類型的細(xì)胞中都可以通過減少自由基的產(chǎn)生，刺激抗氧化酶的產(chǎn)生（如谷胱甘肽還原酶），發(fā)揮強(qiáng)力抗氧化作用，而且褪黑素還可以提高線粒體電子傳遞鏈的效率。褪黑素的這些作用有助于減少肌細(xì)胞炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡，加速骨骼肌的損傷修復(fù)，促進(jìn)肌肉再生。體外試驗(yàn)中，褪黑素可以經(jīng)由線粒體途徑保護(hù)骨骼肌細(xì)胞對抗過氧化氫、SNAP 等多種化學(xué)藥物誘導(dǎo)的凋亡和氧化損傷。也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，褪黑素可促進(jìn)肌前體細(xì)胞增殖，但也會(huì)抑制C2C12 細(xì)胞和鼠原代成肌細(xì)胞的分化與多核肌管的形成，這涉及Wnt/-catenin 信號(hào)的改變。

2.4 色氨酸細(xì)菌代謝物對肌肉的影響 目前，關(guān)于色氨酸經(jīng)腸道細(xì)菌產(chǎn)生的初級(jí)和次級(jí)代謝物吲哚和吲哚乙酸（IAA）、吲哚丙酸（IPA）、吲哚乳酸（ILA）等吲哚衍生物是否能夠直接調(diào)控肌肉生長和生理功能還不清楚。但是色胺、吲哚、吲哚衍生物等可以作為配體激活多種細(xì)胞胞漿內(nèi)的芳烴受體（Aryl Hydrocarbon Receptor，AhR），活化的AhR 進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)與ARNT（Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator）蛋白形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，調(diào)控基因表達(dá)，進(jìn)而發(fā)揮抗炎癥和清除氧化自由基等多種生理作用。顯然，吲哚衍生物的這些抗氧化和抗炎癥作用對于肌肉的健康生長十分有利?；诨蚯贸∈蟮难芯勘砻?，AhR-/-小鼠骨骼肌組織的代謝組發(fā)生了明顯變化，肌肉中糖酵解代謝受到影響，AhR-/-小鼠能夠?qū)垢咧占Z引起的葡萄糖不耐受。有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空氣中的污染物苯并（a）芘 [Benzo（a）Pyrene]可以激活肌肉中的并經(jīng)由Akt/NF-kB 途徑抑制肌肉生成。所以，推測色氨酸的腸道細(xì)菌代謝物可能經(jīng)由AhR/ARNT 在肌肉生長、代謝和炎癥損傷修復(fù)發(fā)揮一定的調(diào)控作用，但是具體靶位點(diǎn)和作用途徑還有待探明。進(jìn)一步通過無菌動(dòng)物、悉生動(dòng)物等模型來研究色氨酸的腸道細(xì)菌代謝物對肌肉生長、發(fā)育和代謝的調(diào)控影響有助于闡明微生物-腸-肌軸對話交流機(jī)制，深入詮釋色氨酸的生理調(diào)控作用。

3 小結(jié)和展望

進(jìn)入體內(nèi)的色氨酸一方面通過合成代謝用于蛋白合成和沉積，是肌肉等組織器官生長發(fā)育的必需物質(zhì)；另一方面，色氨酸分解代謝產(chǎn)生的KYN、KA、5-HTP、5-HT、褪黑素、吲哚和吲哚衍生物等多種不同代謝物能夠正向或者負(fù)向調(diào)控肌肉生長和發(fā)育，涉及多種不同的途徑和機(jī)制。但是關(guān)于色氨酸及其代謝物對動(dòng)物肌肉調(diào)控影響的認(rèn)識(shí)還不夠充分和完整，揭示相關(guān)作用機(jī)制也將是下一步的研究目標(biāo) 。

綜合當(dāng)前的研究認(rèn)為，在畜牧生產(chǎn)上通過營養(yǎng)調(diào)控或者腸道菌群干預(yù)（益生菌或者菌群移植等），適度提高色氨酸的5-HT 代謝途徑和腸道細(xì)菌代謝途徑占比，減少KYN 含量對于肌肉組織的生長和生理穩(wěn)態(tài)是有益的。針對性地開發(fā)色氨酸及其功能性代謝物產(chǎn)品，用于提高和改善畜禽產(chǎn)肉性能和肉品質(zhì)也具有現(xiàn)實(shí)的可行性。